Основы автоматизации эксперимента Герман (стр. 3 из 16)

параметры АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аналоговые ключи на ПТ имеют сопротивление во включенном состоянии от 6 до 500 Ом, а иногда даже больше. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот (рис. 6), ограничивающий рабочие частоты значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим R_вкл обычно имеют большую емкость (у некоторых ключей до 50 пФ и более), так что выигрыша в скорости нарастания сигнала они не дают.

Рис. 6. Эквивалентная схема

аналогового КМОП-ключа

в замкнутом состоянии

Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана элементами защиты – последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, присутствующими в структуре КМОП-микросхем. Существуют варианты аналоговых ключей, обеспечивающих пропускание сигналов более высокой частоты, что достигается за счет отказа от некоторых видов защиты. Например, избранные КМОП-ключи оперируют аналоговыми сигналами в обычном диапазоне ±15 В и имеют полосу пропускания 400 МГц.

Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (скажем, 15 В), будут иметь относительно малые значения R_вкл во всем диапазоне значений сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное по крайней мере половине напряжения питания (рис. 5). Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа будет расти, и максимум его имеет место при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей (или между двумя напряжениями питания при двуполярном питании).

При уменьшении напряжения питания сопротивление ПТ во включенном состоянии становится значительно выше, так как для достижения малых значений R_вкл требуется напряжение затвор-исток не меньше чем 5-10 В. Параллельное сопротивление двух ПТ растет при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей. Пик сопротивления при напряжении входного сигнала, равном половине напряжения источника питания, будет увеличиваться по мере уменьшения напряжения питания. Поэтому при достаточно низком напряжении питания ключ для сигналов с уровнем около половины напряжения питания будет представлять разомкнутую цепь.

Имеются различные приемы, которые разработчики интегральных аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение R_вкл малым и примерно постоянным во всем диапазоне измерения сигналов. На рис. 7 и 8 представлены типовые зависимости сопротивления во включенном состоянии аналогового ключа от напряжения его источника питания при одно- и двуполярном питании соответственно.

Рис. 7. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при однополярном напряжении питания V

Рис. 8. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при двуполярном напряжении питания V

Паразитные ёмкости. Ключи на ПТ обладают следующими паразитными емкостями: между входом и выходом (С_си), между каналом и землей (С_с, С_и), между затвором и каналом C_з , между двумя ПТ в пределах одного кристалла (С_сс, С_ии); см. рис. 9. Рассмотрим, какие эффекты они вызывают.

Рис.9. Паразитные ёмкости аналоговых ключей

С_си (емкость сток-исток/вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению входного сигнала переменного тока через разомкнутый ключ. В большинстве низкочастотных применений сквозное емкостное прохождение не создает проблем. Если они все-же возникают, наилучшим решением является использование пары каскадно-включенных ключей (рис. 10, а) или, что еще лучше, комбинации из последовательного и шунтирующего ключей, включаемых попеременно (рис. 10, б).

Рис. 10. Использование пары каскадно-включенных ключей (а) и

шунтирующего ключа (б)

Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибеллах) ценой дополнительного R_вкл, в то время как последовательно-параллельная схема с шунтирующим ключом уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до R_вкл, когда последовательный ключ разомкнут.

Однополярные двусторонние КМОП-ключи с управлением, гарантирующим размыкание перед замыканием, выпускаются отдельными модулями. На практике можно встретить несколько таких ключей в одном корпусе. Высокочастотные ключи всегда имеют такую схему.

С_с, С_и (емкость стока и истока относительно земли) приводит к спаду частотной характеристики. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигналов, однако даже при фиксированном сопротивлении источника сопротивление ключа в сочетании с шунтирующей емкостью образует уже упоминавшийся нами фильтр нижних частот (рис. 6).

Емкость затвор-канал (С_з). Емкость между управляющим затвором и каналом вызывает еще один эффект – наводку переходных помех на цепь сигнала при замыкании или размыкании ключа. Скачок управляющего сигнала, поданный на затвор, может создавать емкостную наводку в канале и исказить коммутируемый сигнал до неузнаваемости. Это наиболее серьезно при уровнях входного сигнала, соответствующих высокому сопротивлению ключа. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала. Кроме этого, в мультиплексоре возможно кратковременное соединение входов через открытые ключи, если задержка выключения канала превосходит задержку включения.

С_сс, С_ии (емкость между ключами). Если разместить несколько ключей на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров, то не следует удивляться, заметив наводки между каналами (так называемые перекрестные помехи). Виновницей является емкость между каналами ключей. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения полного сопротивления источника сигнала, к которому подключен канал. Именно поэтому для большинства широкополосных радиочастотных схем применяются низкоомные источники сигналов, обычно сопротивлением 50 или 75 Ом.

Другие параметры ключей. Вот некоторые дополнительные параметры аналоговых ключей, которые могут быть важными в том или ином применении: время переключения, время установления, задержка размыкания перед замыканием, максимальный ток через канал, ток утечки канала (как в замкнутом, так и в разомкнутом состоянии), согласованность R_вкл между каналами, температурный коэффициент R_вкл, допустимые диапазоны изменения сигнала, напряжение питания и др.

Защита входов. Большинство интегральных КМОП-схем имеют ту или иную схему защиты входа от действия статического электричества, так как в противном случае изоляция затвора легко разрушается при превышении допустимых значений напряжения. Однако необходимо быть осторожными и не подавать на аналоговые входы напряжение, превышающее напряжение питания. Это означает, что мы всегда должны обеспечить подачу напряжения питания прежде, чем поступит какой бы то ни было сигнал, способный вызвать ток значительной величины. Неприятности, связанные с цепями защиты входов и выходов КМОП-схем, состоят в том, что они ухудшают параметры ключа, увеличивая R_вкл, паразитные емкости и приводят к дополнительным утечкам.

ПРИМЕРЫ использования

аналоговых ключеЙ

Аналоговые мультиплексоры. Хорошим применением ключей на ПТ являются мультиплексоры - схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Аналоговый сигнал с этого выбранного входа будет проходить на единственный выход. На рис. 11 показана функциональная схема такого устройства и его обозначение на принципиальных схемах. Каждый из четырех ключей представляет аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор адреса декодирует двоичный адрес и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е (рис. 11, б) необходим для наращивания числа коммутируемых сигналов путем объединения выходов нескольких мультиплексоров. Такой мультиплексор обычно используется в сочетании с цифровыми схемами, вырабатывающими адрес.

Рис. 11. Устройство мультиплексора на аналоговых ключах (а) и его обозначение на принципиальных схемах (б)

Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и демультиплексором, т. е. сигнал может быть подан на выход и снят с избранного входа. Аналоговый мультиплексор может применяться в качестве цифрового мультиплексора-демультиплексора, поскольку цифровые логические уровни – это значения напряжения, воспринимаемые как двоичные единицы и нули.

Типичные отечественные аналоговые мультиплексоры – схемы серий К590КН1-К590КН9, воспринимающие в качестве кода адреса логические уровни ТТЛ и КМОП и работающие с аналоговыми сигналами до 15В. Приборы К561КП1 (КП2), которые входят в семейство цифровых КМОП-схем, являются аналоговыми мультиплексорами-демультиплексорами, имеющими до 8 входов. Предельный уровень коммутируемого сигнала ограничен
15 В. Однако у них есть вывод -U (внутренний уровень смещения), так что их можно использовать для работы с биполярными аналоговыми сигналами и однополярными управляющими сигналами с уровнями цифровых логических схем.